巴西巴伊亚海藻的生物技术潜力：代谢组学视角下的光保护与抗氧化活性研究

《Chemistry & Biodiversity》：Biotechnological Potential of Seaweeds from Bahia, Brazil: Metabolomic insights, Photoprotection and Antioxidant Activity

本文系统评估了巴西巴伊亚三种海藻（Padina sp.、Caulerpa sertularioides和Solieria filiformis）的化学成分、光保护及抗氧化潜力。研究结合气相色谱-质谱联用（GC–MS）和核磁共振氢谱（1H NMR）技术，揭示了物种特异性的化学模式（如岩藻甾醇、β-谷甾醇和胆固醇），证实提取物具有紫外线（尤其是UVA波段）吸收能力且无刺激性。细胞实验表明，C. sertularioides可显著降低紫外线诱导的活性氧（ROS）达75%。尽管提取物存在光降解与光毒性潜力，但本研究为开发可持续的天然化妆品成分提供了重要代谢组学依据。

　　

摘要

本研究聚焦于巴西巴伊亚海岸的三种热带海藻——Padina sp.（褐藻）、Caulerpa sertularioides（绿藻）和Solieria filiformis（红藻），通过整合代谢组学、光保护及抗氧化活性评估，系统挖掘其生物技术潜力。化学表征采用气相色谱-质谱联用（GC–MS）和核磁共振氢谱（¹H NMR）技术，结合多元统计分析，明确了物种特异性代谢物谱。生物学实验包括紫外线吸收光谱、光稳定性、细胞内活性氧（ROS）清除能力及安全性评估（光毒性与刺激性），为开发天然紫外线过滤剂和抗氧化剂提供了科学依据。

1 引言

环境变化与臭氧层耗竭加剧了人类暴露于太阳紫外线（UV）辐射的风险，长期暴露可导致皮肤结构损伤、光老化和光致癌。紫外线B（UVB，280–320 nm）主要被表皮吸收，引起直接DNA损伤；紫外线A（UVA，320–400 nm）穿透更深，诱导氧化应激和胶原降解。尽管合成防晒剂广泛应用，但其光不稳定性、致敏性及生态毒性（如珊瑚白化）问题日益凸显。海洋宏藻类因富含次生代谢物（如多酚、类胡萝卜素、藻胶等），成为可持续生物活性化合物的理想来源。巴西海岸线长达7000公里，藻类资源丰富，但针对巴伊亚地区海藻的深入化学与生物学研究仍较缺乏。本研究选取三种不同门类的藻种，旨在填补该区域海藻生物技术探索的空白。

2 结果与讨论

2.1 化学谱分析

通过GC–MS和¹H NMR的联合分析，揭示了三种海藻的独特化学特征。主成分分析（PCA）和偏最小二乘判别分析（PLS-DA）显示化学聚类按藻类门属区分，分类准确率达80%。Padina sp.以岩藻甾醇（fucosterol）为标志性成分，同时检测到十八醇和没食子酸；C. sertularioides富含β-谷甾醇（β-sitosterol）、十六醇和卡达里乙酰醇四乙酸酯；S. filiformis则以胆固醇（cholesterol）和多种脂肪酸（如棕榈酸、油酸）为主。¹H NMR谱图进一步补充了极性代谢物信息，如Padina sp.中的甘露醇、C. sertularioides的糖苷化结构信号，以及S. filiformis中可能的溴酚类化合物。分子网络分析（457个节点）突出了甾醇类化合物的分布与分类学关联。

2.2 光保护特性评估

2.3 紫外吸收光谱

所有粗提物均显示广谱紫外线吸收能力，尤其在UVA波段（320–400 nm）表现显著。Padina sp.和C. sertularioides在可见光区亦有吸收，可能与色素（如叶绿素、类胡萝卜素）相关；S. filiformis吸收较弱但持续，提示其含溴酚或菌孢素样氨基酸（MAAs）等吸光成分。

2.4 光稳定性评估

经9 J/cm² UVA照射后，Padina sp.和C. sertularioides在UVB和UVA区的光降解率分别达72–73%和46–50%，而S. filiformis降解较低（UVB 60%，UVA 35%）。尽管光不稳定性类似合成剂阿伏苯宗（avobenzone），但光毒性测试与配方优化可提升实用性。

2.5 抗氧化活性

在人类角质形成细胞（HaCaT）模型中，250 μg/mL浓度下，C. sertularioides提取物使UVA诱导的ROS降低75%，效果与槲皮素相当；Padina sp.和S. filiformis均降低42%。细胞活性实验证实ROS清除非细胞毒性所致。化学成分与抗氧化能力的关联性表明，硫酸化多糖、酚类及色素类物质共同贡献了活性。

2.6 毒性评估

2.7 光毒性

基于OECD 432指南的3T3中性红摄取（NRU）实验显示，所有提取物均具光毒性（平均光效应MPE > 0.15）。然而，该模型可能高估风险，因缺乏皮肤屏障（如角质层）保护，实际生物利用度可能较低。

2.8 刺激性潜力

短时暴露（STE）试验（OECD 491）表明，0.05%和5%浓度下所有提取物均无刺激性（细胞活性 > 70%），支持其局部应用安全性。

3 结论

本研究通过整合化学表征与生物学验证，证实巴伊亚热带海藻提取物具有显著的紫外线吸收和抗氧化潜力，尤其C. sertularioides的ROS抑制效果突出。尽管光降解与光毒性问题需通过组分优化解决，但非刺激性特征和代谢多样性凸显了其作为化妆品和制药行业可持续原料的价值。未来工作应聚焦于活性成分分离、配方稳定性提升及在体模型验证。

4 实验部分

藻样采集自巴伊亚海岸，经形态学与分子鉴定后，采用乙酸乙酯和甲醇顺序提取。化学分析依托GC–MS（Agilent 7890B-5977C系统）和¹H NMR（Bruker Avance III 400 MHz）。生物学实验包括紫外光谱扫描（Cary 60）、光稳定性（UVA模拟器）、HaCaT细胞ROS检测（DCFH₂-DA探针）、光毒性（3T3 NRU）及刺激性（SIRC细胞MTT法）评估，均遵循国际指南与统计验证（ANOVA，MetaboAnalyst 5.0）。